KR100411582B1 - 펄스식온도모니터회로및물체온도의모니터방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 온도 모니터 회로는 트랜지스터에 의해 전원 레일에 접속되어 있는 서미스터를 포함한다. 상기 트랜지스터는 상기 회로 내에서 서미스터를 전원에 간헐적으로 접속시키도록 펄스가 가해진다. 서미스터에 의해 전원으로부터 유도되는 평균 전력을 감소시킴으로써, 전원의 전류 드레인을 덜 발생시킨다.

Description

펄스식 온도 모니터 회로 및 물체 온도의 모니터 방법

본 발명은 펄스식 온도 모니터 회로 및 온도 모니터 회로를 동작시키는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 펄스식 온도 모니터 회로를 포함하는 전동기 구동 시스템에 적용할 수 있다.

온도 감지 장치를 사용하는 일예로는 전동기 구동 시스템에 있어서의 온도센서가 있다. 상기 장치는 전동기 제어기가 이를 고려할 수 있도록 전동기 자체의 동작 온도를 모니터하기 위해 배치되고 있다. 통상의 동작 조건하에서 전동기 온도가 허용 가능한 한계를 초과하여 상승하면 전동기에 대한 요구는 제약을 받을 수 있다.

온도의 변화에 따라 출력 특성이 변동하는 다양한 형태의 온도 변환기(temperature transducer)가 공지되어 있다. 예컨대, 구성 부품의 저항률의 변화가 온도 변화로서 발생하는 몇 가지 형태의 변환기도 공지되어 있다. 이러한 형태의 장치는 통상적으로 반도체 재료를 포함하는 저항기인 서미스터이다. 서미스터는 비교적 크고 일반적으로 비선형인 저항의 온도 계수를 갖는다. 순리적인 서미스터의 온도/저항 특성에 대한 일반적인 예를 제1도에 개략적으로 도시하고 있다.

서미스터는 제1도의 문자 a 및 b로 나타낸 바와 같이 온도/저항 곡선 중의 비교적 선형인 부분에서 동작하고 있다. 서미스터는 온도 범위가 온도/저항 곡선중에서 비교적 보다 선형인 부분과 일치하는 특정 용도로서 선택된다. 통상적으로, 온도 모니터 회로 내의 서미스터는 조정되어 고정된 공급 전압을 가지며, 상기 공급 전압에 걸쳐 분압 회로망 내에 구성되고 있다.

그러나, 전체 온도/저항 특성은 욕조 형태(bath-tube shape)의 곡선을 이루고 있는 것을 제1도로부터 명백히 알 수 있지만, 일반적으로 허용되는 동작 범위외에 있는 특성에 관해서는 사용자가 관심을 가지고 있지 않기 때문에, 이것을 서미스터 사용자는 거의 고려하고 있지 않는다.

넓은 온도 범위(예컨대, -20℃∼+80℃)에 걸쳐 동작하는 공지된 서미스터는 예를 들어 20 Ω내지 2 kΩ사이에서 저항값이 크게 변화된다. 제1도에 따르면, 공지된 분압 회로를 가로질러 정전압원으로부터 유도되는 전류의 변화는 매우 크다. 저온에서는 전류 드레인이 특히 크다. 또한, 넓은 온도 범위에 걸쳐 동작하는 서미스터를 포함하는 온도 감지 회로는 가장 무거운 전류 상태, 즉 저온에서의 상태를 고려하여 설계되어야만 한다.

냉동 창고 또는 냉장 창고와 같은 극단적인 환경에서, 전동기에 의해 구동되는 선적 차량은 넓은 온도 범위에 걸쳐 전동기의 온도를 모니터할 필요가 있다. 냉동 창고에 있는 동안 전동기가 동작하거나 또는 전동기에 무거운 부하를 걸지 않은 상황에서, 서미스터 저항은 낮게 될 수 있으며, 이에 따라서 조정된 전원으로부터의 전류 드레인은 증가한다.

배터리식 차량의 전동기 제어 시스템의 부품으로서 통상적으로 주배터리 전압으로부터 보다 낮은 제어 회로 전압을 인출하는 전압 조정기가 사용되고 있다. 배터리가 완전 충전 상태 또는 거의 근접한 충전 상태에 있고 서미스터로 인한 전류 드레인이 높은 경우, 조정기는 특히 부하가 많이 걸리며, 최악의 경우에는 과열되지 않도록 충분한 용량을 갖는 조정기를 설계해야만 한다.

조정기의 과열을 방지하기 위해서 조정기에 의해 발생되는 열을 발산하는 히트싱크를 설치하는 방법은 공지되어 있다. 이상과 같은 대용량의 조정기 또는 히트싱크 중의 어느 하나를 사용하는 경우, 충분한 공간을 용이하게 확보할 수 없는 전동기 구획 내에 특정 공간이 필요하게 된다.

본 발명의 목적은 평균적으로 종래 기술에 공지된 전류보다도 매우 적은 전류를 유도하는 넓은 온도 범위에 걸쳐서 사용할 수 있는 온도 모니터 회로를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 온도의 변화에 따라 전기 특성이 변동하는 온도 감지 장치와, 전원과, 상기 온도 감지 장치의 온도에 의존하는 전기 출력을 제공하는 출력단자와, 상기 전원과 온도 감지 장치 사이에 접속되어 모니터 회로를 구동시키는 스위치 장치 및 반복되는 구동 펄스에 따라 상기 스위치 장치를 동작시키는 제어수단을 포함하는 온도 모니터 회로를 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 온도 감지 장치는 온도/저항 곡선 중에서 비교적 선형인 부분에 기초하여 통상적인 온도 동작 범위를 갖는 서미스터이다. 본 발명에 따르면, 저항이 가장 낮은 부분을 포함하여 온도/저항 곡선의 전체 온도 범위가 사용될 수 있다. 모니터 회로의 펄스 동작은 서미스터를 간헐적으로 구동시키며, 이에 따라서 전원으로부터 유도되는 평균 전력은 감소된다.

바람직하게, 본 발명의 스위치 장치는 예컨대 NPN 바이폴라 트랜지스터와 같은 트랜지스터를 포함한다.

또한, 본 발명에 따르면, 온도의 변화에 따라 전기 특성이 변동하는 온도 감지 장치를 사용하여 물체의 온도를 모니터하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은 a) 온도 감지 장치를 전원에 접속하는 단계와, b) 반복되는 구동 펄스에 따라 스위치 장치에 의해 온도 감지 장치를 구동시키는 단계를 포함하는 물체 온도의 모니터 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 다양한 방법으로 실시될 수 있고, 이들 방법의 몇 가지 방법을 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 설명한다.

제2도를 참조하면, 스위치형 자기저항 전동기 구동 시스템은 마이크로 프로세서(14)와 다수의 기능 카드(16)(이들 중 하나만 도시됨)를 구비하고 있는 제어기(12)에 의해 제어되는 스위치형 자기저항 전동기(10)를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 마이크로프로세서(14)는 모토롤라사(Motorola, Inc.)에 의해 제조되는 68HC11 프로세서이다. 전동기(10)는 부하(20)에 접속된 샤프트(18)를 갖는다. 부하(20)는 당업자에 의해 명확히 알 수 있는 바와 같이 전동기(10)에 의해 회전되는 것이라면 특별히 한정하지는 않는다. 특별한 용도로서, 부하(20)는 냉장 창고에 사용되는 선적 차량의 동륜에 의해 구성된다. 기타, 극단적인 상황 또는 온도 범위의 용도로도 본 발명을 응용 가능하다. 이것은 예컨대 냉장 창고 내의 컨베이어 벨트용 전동기의 용도로도 적용 가능하다.

전동기(10)와 구동 시스템은 일반적으로 종래 기술에서 충분히 공지되어 있기 때문에, 본원 명세서에서는 그 상세한 설명을 생략한다. 스위치형 자기저항 전동기와 구동 시스템을 설명하는 예로는 스테펜슨(Stephenson) 및 블레이크(Blake)에 의해 1993년 6월 21일 독일 넌베르크의 PCIM 회의에서 발표된 "스위치형 자기저항 전동기 및 구동 시스템의 특성, 설계 및 응용(The Characteristic, Design and Applications of Switched Reluctance Motors and Drives)"라는 제목의 논문이 있다.

본 발명에서 전동기(10)와 제어기(12)는 배터리(22)로부터 전원이 공급된다. 물론, 정류된 교류 전원과 같은 다른 전원도 사용 가능하다. 배터리(22)의 출력은 DC 전압 조정기(24)에 의해 제어 회로를 위해 5V로 조정되고 있다. 서미스터(26)는 전동기 온도를 모니터하기 위해 전동기(10)의 케이스(28)상에 장착되거나 또는 권선 온도를 모니터하기 위해 전동기 권선 내에 장착된다. 서미스터(26)의 출력은 기능 카드(16)로 전달된다.

제3도는 회로 내의 서미스터(26)를 도시하고 있다. 이 도면은 서미스터가 전동기 케이스(28)상에 장착되고, 배터리(22)가 카드(16)로부터 분리되어 별도로 장착되는 점을 제외하고, 실제로 제2도의 카드(16)의 세부와 동일하다. 조정기(24)는 배터리의 충전 상태와 무관하게 안정된 5V 출력을 공급한다.

저항기(30)는 조정된 5V 전원 레일과 접속되고 있다. NPN 바이폴라 트랜지스터 (32)는 저항기(30)와 접지 전위에 접속된 서미스터(26) 사이에 직렬로 접속되어 있다. 트랜지스터(32)의 콜렉터가 저항기(30)와 접속되며, 트랜지스터(32)의 에미터는 서미스터(26)에 접속되어 있음을 제3도로부터 알 수 있다. 바이어스 저항기(34)는 트랜지스터(32)의 베이스에 접속되고 있다.

동일한 효과를 얻기 위해 특정 용도에서는 트랜지스터(32) 대신에 전계 효과트랜지스터와 같은 다른 형태의 반도체 스위치 또는 리드 계전기(reed relay)와 같은 전기·기계 스위치도 사용할 수 있다. 또한, 서미스터를 전동기 이외의 다른 부품, 예컨대 전력 스위칭 장치용 히트싱크에 장착할 수도 있다.

트랜지스터(32)는 미리 프로그램된 마이크로프로세서(14)로부터 그 베이스로구동 펄스를 공급한다. 상기 마이크로프로세서(14)는 서미스터(26)를 회로에 대하여 전환 동작시킴으로써, 구동 신호를 발생한다. 서미스터 회로의 출력(36)은 트랜지스터(32)의 콜렉터와 접지 전위 사이에서 얻어진 전압 레벨이 된다. 서미스터(26)의 온도가 상승함에 따라, 그 저항은 제1도의 욕조형 곡선을 따라 변화해 간다. 서미스터 동작 범위의 대부분에 걸쳐서 이 상태는 온도에 대한 저항의 상승을 다소 안정되게 한다. 서미스터(36)는 보다 선형인 동작 특성이 전동기의 허용 가능한 동작에 대해 최대 임계치인 온도 범위와 일치하도록 선택된다. 이 방법은 당업자에 의해 실제로 수용 가능한 실시예일 것이다. 본 발명은 전동기가 동작하고 있는 환경이 이하의 경우와 같은 임계 범위밖으로 크게 벗어나지만, 전동기 온도를 모니터하기 위해서 여전히 서미스터가 필요한 상황을 제공한다. 예컨대, 냉동 창고 또는 냉장 창고에서는 전동기(10)가 빙점 이하의 조건에서 동작하지 않는 상태로 방치되고, 전동기가 데워질 때까지 서미스터 출력이 주위 온도를 반영하도록 하는 경우가 있다. 낮은 감지 온도 레벨에서, 서미스터의 저항은 동작 곡선의 하부, 즉 약 20 Ω으로 낮아진다. 이 결과, 서미스터 저항이 500∼2000 Ω 일 때의 전류 드레인과 비교하여 조정된 전원으로부터 상당히 큰 전류 드레인이 발생한다.

지금까지, 조정기는 연속적인 전류 드레인의 최상위 레벨을 처리하고 있었다. 그 결과, 전압 조정기는 온도/저항 곡선의 최저점에서의 서미스터에 의한 전류 드레인을 처리하기 위하여 충분한 용량을 가져야만 했다.

상기 상황은 배터리가 최근에는 재충전되고 있기 때문에, 특히 충분하게 전원 공급될 수 있음으로써 더욱 악화될 수 있으며, 따라서 서미스터를 통과하는 전류 드레인이 가장 클 때에 이 상황은 짧지만, 충분한 시간 동안 계속된다. 24V 배터리의 실제 전압 출력 범위는 약 15∼32V가 될 수 있다. 배터리 전압이 높으면, 5V 조정기에 대한 부하가 증가하는 것은 명백해질 것이다. 서미스터 전류 드레인과 높은 배터리 전압에 대응하기 위하여, 조정기는 충분히 큰 크기를 필요로 한다. 공간이 충분하지 않은 상황에서 용량이 큰 조정기는 전동기 구획 내에 매우 큰 공간을 필요로 한다.

본 발명에 따르면, 서미스터를 회로에 대하여 전환함으로써 온도를 모니터링할 수 있도록 트랜지스터에 펄스를 인가함으로써 조정기 상의 전류 드레인이 제한되고 있다. 이와 같이, 일정한 시간 동안 서미스터에 의해 유도되는 전력은 사용되는 펄스 파형의 듀티 사이클에 의해 제한되고 있다. 또한, 모니터 회로 부품[특히, 저항기(30)]의 전력 처리 능력을 작게할 수 있기 때문에, 추가의 이점도 얻게 된다.

이 특정 실시예에 있어서, 가변 듀티 사이클에 의해 모니터 회로를 구동시키도록 마이크로프로세서가 프로그램되고 있다. 전동기의 감지 온도가 동작 임계 범위에 근접함에 따라, 듀티 사이클은 증가한다. 온도 모니터링이 가장 중요한 임계 범위에서 듀티 사이클은 100%, 즉 완전히 '온'될 수 있다. 임계 범위에서는 이러한 모니터링이 사용될 필요는 없지만, 연속적인 모니터링을 실행할 수 있다.

특히 중요한 소정의 온도 범위 내에서 구동 펄스의 듀티 사이클을 증가시킬 수 있으며, 이것은 전력 소모량도 증가한다. 선택적으로, 중요한 온도 범위 외에서 펄스 사이에 특히 긴 지속 시간을 이용하고 있는 경우, 이 범위 내에서 또는 이 범위에 근접함에 따라 펄스의 주파수를 증가시킬 수 있다. 본 발명의 이점은 전력을 절약하기 위해 서미스터에 펄스를 인가하는 것에 있지만, 또한 온도 모니터가 중요한 온도 범위에서 연속적으로 서미스터를 구동시킬 수도 있다.

또 다른 실시예에 있어서는, 모니터 회로 트랜지스터의 고정 펄스를 사용할 수 있다. 예컨대, 모니터 회로를 구동시키기 위한 규칙적인 펄스를 제공하는 데에 크게 제한된 자주 발진기의 출력을 이용할 수 있다.

제4a도는 제3도의 트랜지스터(32)의 베이스로의 입력부에 접속된 구동 펄스 출력부(44)를 제공하는 펄스 발생기(40)를 도시하고 있다. 제4b도에서 구동 펄스는 트랜지스터를 이전과 동일하게 도통시킴으로써 서미스터(26)와 조정기(24)의 출력부를 접속시킨다. 서미스터 분압 회로망으로부터의 출력부(46)는 서미스터 구동 회로의 출력이 비교기(48)로의 미리 설정된 입력을 초과할 때 출력을 제공하는 비교기(48)로의 입력부와 접속되어 있다. 사전 설정 입력은 조정기(24)에 접속된 저항기(50, 52)를 포함하는 다른 분압기에 의해 설정된다. 이와 같이, 초과 온도 전환 기능을 실행하기 위한 마이크프로세서(14)용 신호로서 비교기(48)로부터의 펄스 출력이 사용되고 있다. 또한, 서미스터가 구동 펄스 기간 동안만 사용 가능하게 됨으로써, 전력을 절약할 수 있다. 구동 펄스의 주파수는 제4a도의 펄스 발생기에서 저항기(R) 및/또는 커패시터(C)의 값을 변경함으로써 변화시킬 수 있다. 이와 유사하게, 각 펄스의 지속 기간은 저항기(R)의 값을 변경함으로써 변화시킬 수 있다.

당업자에게 자명한 바와 같이, 양의 온도 계수 또는 음의 온도 계수를 갖는 서미스터를 본 발명의 다양한 실시예에서 사용할 수 있다. 이러한 다양한 실시예는제3도에 도시된 회로를 약간 변형시킨 경우도 있지만, 기본적인 방법에는 변함이 없다.

본 발명은 특히 스위치형 자기저항 전동기와 관련하여 설명되고 있다. 전동기, 발전기, 또는 전기 또는 기계 설비의 다른 부품이 동일한 효과를 얻기 위해 동일한 서미스터 온도 모니터 회로를 사용할 수 있음을 당업자라면 용이하게 판단할 수 있을 것이다.

전술한 제어기는 마이크로프로세서를 기초로 하고 있으나, 다른 형태의 제어기도 사용될 수 있음을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 예컨대, 고정된 루틴 기능을 실행하는 배선 제어 기판 또는 비교기에 기초한 제어기도 사용할 수 있다.

본 발명은 전술한 실시예와 관련하여 설명되고 있지만, 당업자라면 본 발명을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변형 및 수정이 가능함을 이해할 수 있을 것이다 따라서, 전술한 몇 가지 실시예의 설명은 단지 예시를 위한 것으로서 제한을 목적으로 하고 있는 것은 아니다. 본 발명은 이하의 특허 청구의 범위의 기술적 사상 및 범위 내에서만 제한될 수 있을 것이다.

제1도는 서미스터에 대한 온도/저항 곡선을 개략적으로 나타낸 도면.

제2도는 본 발명이 사용되는 스위치형 자기저항 구동 시스템의 블록도.

제3도는 본 발명에 따른 온도 모니터 회로에 대한 블록도.

제4a도 및 제4b도는 발진기와 비교기를 사용하는 본 발명의 하나의 실시 형태를 나타내는 회로도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 스위치형 자기저항 모터

12 : 제어기

14 : 마이크로프로세서

26 : 서미스터

32 : 트랜지스터

Claims (11)

1. 온도에 따라 전기 특성이 변화하는 온도 감지 장치와;

   전원과;

   상기 온도 감지 장치의 온도에 의존하는 전기 출력을 제공하는 출력 단자와;

   모니터 회로를 구동시키며 상기 전원과 상기 온도 감지 장치 사이에 접속되는 스위치 장치와;

   반복되는 구동 펄스에 따라 상기 스위치 장치를 동작시키는 제어 수단을 포함하고,

   상기 온도 감지 장치의 출력은 상기 제어 수단에 피드백되고, 상기 제어 수단은 상기 온도 감지 장치로부터의 출력이 변화할 때, 상기 온도 감지 창치의 온도에 반응하여 상기 펄스의 주파수 및 상기 펄스의 듀티 사이클중 적어도 하나를 변화시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 온도 모니터 회로.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제어 수단은 미리 설정된 온도 범위 외의 온도에 대해서는 펄스의 제1 주파수에 따르고 미리 설정된 온도 범위 내의 온도에 대해서는 펄스의 제2 주파수에 따라서 스위치 장치를 동작시키도록 배치된 것인 온도 모니터 회로.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제어 수단은 미리 설정된 온도 범위 외의 온도에 대해서는 펄스 사이클에 따라서 스위치 장치를 동작시키고, 미리 설정된 온도 범위 내의 온도에 대해서는 회로를 연속적으로 구동시키도록 배치된 것인 온도 모니터 회로.
4. 제1항에 있어서,

   상기 온도 감지 장치는 서미스터인 것인 온도 모니터 회로.
5. 제1항에 있어서,

   상기 온도 감지 장치가 접속되는 분압 회로망을 추가로 포함하는 것인 온도 모니터 회로.
6. 제1항에 있어서,

   상기 스위치 장치는 트랜지스터를 포함하는 것인 온도 모니터 회로.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제어 수단은 마이크로프로세서를 포함하는 것인 온도 모니터 회로.
8. 제1항에 있어서,

   전동기용 구동 시스템의 일부분을 구성하는 것인 온도 모니터 회로.
9. 제1항에 있어서,

   상기 전원은 전압 조정기를 포함하는 것인 온도 모니터 회로.
10. 온도에 따라 전기 특성이 변화하는 온도 감지 장치를 사용하여 물체의 온도를 모니터하는 방법에 있어서,

    스위치 장치에 의해 상기 온도 감지 장치를 전원에 접속시키는 단계와;

    반복되는 구동 펄스에 따라 스위치 장치에 의해 상기 온도 감지 장치를 구동시키는 단계와,

    상기 온도 감지 장치의 출력을 피드백하는 단계와,

    상기 온도 감지 장치를 제어하여, 상기 온도 감지 장치의 출력이 변화할 때 상기 온도 감지 장치의 온도에 반응하여 상기 펄스의 주파수 및 상기 펄스의 듀티 사이클중 적어도 하나를 변화시키는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 온도의 모니터 방법.
11. 제13항에 있어서,

    상기 온도 감지 장치는 서미스터인 것인 물체 온도의 모니터 방법.